Emmanuelle Suard, M. Saiful Islam, Houssny Bouyanfif, Olaf J. Borkiewicz, Jean-Noël Chotard, Mohamed Zbiri, Theodosios Famprikis, Matthieu Courty, Christian Masquelier, Oliver Clemens, François Fauth, James A. Dawson, Helen Y. Playford, Pieremanuele Canepa, Damien Dambournet, Laboratoire réactivité et chimie des solides - UMR CNRS 7314 (LRCS), Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), University of Bath [Bath], Advanced Lithium Energy Storage Systems - ALISTORE-ERI (ALISTORE-ERI), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E), Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Université de Nantes (UN)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM), Laboratoire de Physique de la Matière Condensée - UR UPJV 2081 (LPMC), Université de Picardie Jules Verne (UPJV), National University of Singapore (NUS), Institut Laue-Langevin (ILL), ILL, Newcastle University [Newcastle], ALBA Synchrotron light source [Barcelone], STFC Rutherford Appleton Laboratory (RAL), Science and Technology Facilities Council (STFC), PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX (PHENIX), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Argonne National Laboratory [Lemont] (ANL), University of Stuttgart, Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Nantes (UN)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Montpellier (UM)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), and Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)
International audience; Solid electrolytes are crucial for next-generation solid-state batteries, and Na 3 PS 4 is one of the most promising Na + conductors for such applications, despite outstanding questions regarding its structural polymorphs. In this contribution, we present a detailed investigation of the evolution in structure and dynamics of Na 3 PS 4 over a wide temperature range 30 < T < 600°C through combined experimental−computational analysis. Although Bragg diffraction experiments indicate a second-order phase transition from the tetragonal ground state (α, P4̅ 2 1 c) to the cubic polymorph (β, I4̅ 3m) above ∼250°C, pair distribution function analysis in real space and Raman spectroscopy indicate remnants of a tetragonal character in the range 250 < T < 500°C, which we attribute to dynamic local tetragonal distortions. The first-order phase transition to the mesophasic high-temperature polymorph (γ, Fddd) is associated with a sharp volume increase and the onset of liquid-like dynamics for sodium-cations (translational) and thiophosphate-polyanions (rotational) evident by inelastic neutron and Raman spectroscopies, as well as pair-distribution function and molecular dynamics analyses. These results shed light on the rich polymorphism of Na 3 PS 4 and are relevant for a range host of high-performance materials deriving from the Na 3 PS 4 structural archetype.